La chiesa di san Lorenzo sorge sulla preesistente chiesa intitolata, a partire dall’inizio del Cinquecento, alla Madonna della Neve, anche detta Madonna del Presepe. L’intitolazione a san Lorenzo è stata voluta dal duca Emanuele Filiberto di Savoia per commemorare la sua vittoria, al comando delle truppe del re di Spagna Filippo II, contro la Francia di Enrico II, nella battaglia di San Quintino, località nelle Fiandre, il 10 agosto 1557, giorno dedicato a San Lorenzo. Chiesa tra le più importanti di Torino, in essa viene conservata la Sindone quando arriva da Chambéry nel 1578 per essere venerato da san Carlo Borromeo.
Nel 1634, i Teatini, ai quali era stata affidata la chiesa, decidono di edificare l’edificio attuale abbattendo completamente quello precedente. I lavori, affidati a vari architetti ducali, procedono assai lentamente: fino all’arrivo nel 1666 di Guarino Guarini, essi non sono andati più in là delle fondamenta. Al padre teatino, che prende in mano il cantiere ufficialmente nel 1668, si deve quindi non solo il progetto della chiesa, ma anche il suo completamento: i lavori iniziano nel 1670, e procedono assai spediti, tanto che la chiesa viene consacrata l’11 maggio 1680, alla presenza di Madama Reale Maria Giovanna Battista di Savoia Nemours.
Assieme alla cappella della Sindone, la chiesa di san Lorenzo offre il maggior esempio esistente delle straordinarie cupole di Guarino Guarini. Come già in cattedrale, anche in questo caso, Guarini è riuscito a innalzare entro un sito fortemente costretto, circondato da edifici su tre lati e una stradina in ombra sul quarto, una cupola ampia, quasi pari alle proporzioni della pianta della chiesa, dotata di un’ampia lanterna sostenuta da contrafforti apparentemente esigui. Come nell’architettura gotica, Guarini convoglia la spinta della cupola in otto costoloni che si intersecano slanciandosi due a due fra i finestroni alla base del tamburo. Quasi a voler dimostrare la natura non strutturale delle volte gettate tra i costoloni, Guarini ne fora la superficie aprendovi una serie di finestre.
La struttura portante della cupola è costituita da quattro grandi archi in muratura mascherati tra l’anello d’imposta e l’involucro murario esterno, che vanno a distribuire il peso della cupola ai vertici del quadrato esterno della pianta. Questi grandi archi sono coadiuvati da un’armatura lignea configurata da dieci elementi, che supportano ciascun arcone in cinque punti dell’intradosso, e da un ingegnoso sistema di archi minori e contrafforti in mattoni. Il punto più elevato della struttura è il lanternino della cupola, a 50 metri d’altezza, dove Guarini ha voluto simboleggiare lo Spirito Santo.
Guarini aveva progettato anche la facciata della chiesa, che però non è mai stata realizzata. I Savoia, infatti, non volevano che nessun edificio disturbasse la visione dei centri del potere assoluto siti in piazza Castello, ovvero Palazzo Reale e Palazzo Madama.
Prima di entrare nella vera e propria chiesa di san Lorenzo, si accede a un avancorpo realizzato nelle attuali forme nel 1846 su disegno di Alfonso Dupuy, e dedicato alla Madonna della Neve, alla quale era intitolata la preesistente chiesa.
Anche l’interno della chiesa di san Lorenzo, come già la cupola, è impostato sulla figura dell’ottagono. Al corpo di fabbrica principale si appoggia il presbiterio, realizzato in un vano ellittico sormontato da una piccola cupola esagonale affrescata da Bartolomeo Guidobono. L’altar maggiore, disegnato dallo stesso Guarini, è un trionfo di marmi policromi e stucchi dorati realizzati da Alessandro Casella, mentre la tela al centro della macchina è opera della fine del XVIII secolo di Marco Antonio Franceschini: essa rappresenta san Lorenzo con gli strumenti del martirio ed è racchiusa in una cornice in legno dorata opera di Ignazio Perucca. Il paliotto dell’altare, raffigurante il voto fatto da Emanuele Filiberto a San Lorenzo alla battaglia di San Quintino, è pregevole opera di Corrado Tantardini, che ha realizzato anche gli splendidi angeli posti ai lati dell’altare.
Alle spalle del presbiterio si apre un alto vano che ospita il coro, i cui pannelli sono stati realizzati negli anni Trenta del Settecento da Carlo Maria Ugliengo. A separare i due ambienti, per volere di re Carlo Felice, nel 1828 vengono collocate due porte seicentesche: decorate da intagli dorati su fondo azzurro, esse provengono dalla chiesa della Santissima Annunziata.
Oltre all’altar maggiore, Guarini disegna anche alcune cappelle laterali: quella intitolata al Crocifisso, all’Immacolata, della Natività.
Al centro dell’altare del Crocifisso si trova la bellissima tela realizzata dal gesuita Andrea Pozzo, e rappresenta Cristo Crocifisso tra la Vergine, Maria Maddalena e san Giovanni. Il pittore ha usato come modello la Sindone stessa, come dimostrato dai chiodi piantati nei polsi del Cristo, e non nelle mani, come spesso si vede. Il richiamo al sacro lino, e alla sua permanenza in questa chiesa nel 1578, è manifesto anche nel paliotto d’altare, che riproduce la Sindone sorretta da angeli, mentre nel timpano è raffigurata la veronica sorretta da angeli.
La Cappella dell'Immacolata Concezione viene eretta per volere di Ludovica di Savoia, sorella di Carlo Emanuele II, in memoria del marito, il cardinal Maurizio morto nel 1657. La pala dell’altare, del pittore bolognese Domenico Maria Muratori, rappresenta la Vergine attorniata da beati di casa Savoia, mentre in basso un angelo offre Torino alla protezione della Vergine. Splendido è anche questo paliotto dell’altare: realizzato in marmi policromi, al centro si trova lo stemma partito di Maurizio e Ludovica di Savoia.
La cappella della Natività, la terza da sinistra, è stata progettata dallo stesso Guarini, anche se realizzata nel 1677 da Antonio Bettini. La pala dell’altare rappresenta la Natività del Redentore ed è opera della fine del XVII secolo di Pietro Dufour. Di particolare interesse il paliotto, dove tra le cornucopie di marmo policromo sono applicati tre piccoli pannelli in metallo sbalzato: ai lati fiori e foglie intrecciati, mentre al centro si trova il transito di san Giuseppe, assistito dalla Madonna e da Gesù. A sottolineare come la Natività del Signore sia portatrice di pace stanno i due angeli al di sopra dell’altare: portatori di tale annuncio salvifico, quello di sinistra tiene in mano un arco spezzato, mentre quello di destra tiene la faretra con le frecce rotte.
Particolarmente bello è anche il pulpito, sito tra le cappelle della Natività e dell’Annunciazione. Realizzato in un unico tronco secolare di noce d’India da Stefano Maria Clemente, esso era in realtà destinato alla chiesa del Corpus Domini, come ben dimostrano le formelle scolpite, che rappresentano il miracolo eucaristico di Torino. Non entrando dalla porta della basilica cittadina eretta sul luogo del miracolo, e non potendo essere tagliato, esso viene donato nel 1572 alla chiesa di san Lorenzo.